我国成功构建窦房结类器官 首个人源“生物起搏器”类器官成功构建

 2026年5月15日,国际知名学术期刊《细胞-干细胞》在线发表了一项来自上海的重要研究成果。研究团队利用人类多能干细胞在培养皿中培育出三维立体的窦房结类器官,成功构建出全球首个人源“生物起搏器”体外模型。此项成果由中国科学家完成,经过长达三年的持续攻关和技术迭代,在体外环境中复刻出了人类心脏天然起搏器的关键功能,为心脏电生理研究开辟了全新的实验维度。

 窦房结位于右心房壁上,体积仅有米粒大小,却是维持心脏规律跳动的真正“总指挥部”。它每分钟自动产生60到100次电脉冲,经由心脏传导系统传递给心房和心室,指挥心肌有序收缩,推动血液在全身循环流动。一旦这个关键节点功能失调,心跳会显著减慢甚至停搏,临床上被称为病态窦房结综合征,严重时可导致晕厥或危及生命,也是如今全球数百万心脏起搏器植入患者的主要原因之一。

 然而,由于人体窦房结位置隐蔽、样本获取极其困难,加之小鼠等常规动物模型在心率、神经调控模式和起搏系统结构上与人类存在显著差异,长期以来对心脏起搏系统的研究与疾病干预手段开发始终受到瓶颈制约。此番成功构建的人源窦房结类器官,有望从根本上改变这一现状,为探究人类心脏起搏体系的运作奥秘提供一个前所未有的实验窗口。

 精妙设计模拟心脏内在节律

 研究团队从人类多能干细胞出发,精准模拟了胚胎发育过程中与心脏起搏系统形成相关的关键信号通路动态变化,通过系统性筛选与高效诱导,在培养体系中培育出了能够自主、稳定、规律搏动的三维窦房结类器官。

 这套精密的模型并非一次性的技术胜利。单细胞转录组和功能分析显示,此类器官在分子特征上高度接近真实的人胚胎窦房结细胞,包含与体内起搏细胞相对应的三种亚型——即头区、尾区及过渡区细胞,并能对临床上多种调节心率的药物产生符合预期的对应反应。更重要的是,当研究人员将窦房结类器官与同样来源于干细胞的心房样类器官进行物理连接后,电信号能够从“起搏器”一端规律发出,并沿着拟似的传导路径稳定传递至心房组织,首次在体外完整再现了“起搏—传导”的全流程。

 为了验证这一类器官模型的实际应用能力,研究团队利用基因编辑技术引入了近期临床报道中发现的、与家族性缓慢性心律失常密切相关的致病突变——KCNJ3 c.247A>C。实验数据显示,引入这一突变的窦房结类器官跳动频率显著降低,成功重现了人类窦房结功能障碍的关键病理表型。随后的药物干预实验进一步表明,利用钾离子通道选择性阻断剂Tertiapin-Q治疗可以部分改善这一异常节律,有力印证了这一人源化平台在解析遗传性心律失常机制、开展靶向药物筛选和临床前药效评估中具有极高的应用价值。

 神经调控与系统整合实现质的飞跃

 若要全面理解人类心脏起搏系统的运行奥秘,仅仅停留在窦房结的“自言自语”层面远远不够。在真实的心脏中,心率并非恒定不变,运动加快、休息减慢、情绪和代谢状态的变化都会影响心跳节律,这一切的调节幕后者正是覆盖在窦房结周围的自主神经系统。为此,研究团队同步构建了富含副交感神经元的心脏神经丛类器官,并将其与窦房结类器官及心房样类器官进行多层组装。实验结果显示,神经纤维可以主动向窦房结类器官延伸并形成紧密的功能连接,进而降低起搏细胞的自主跳动频率。更引人注目的是,这种来自神经的调控信号不仅止步于窦房结,还会进一步传递给下游的心房类器官,使其收缩节律随之变慢,完整模拟了体内副交感神经抑制心率的生理过程。

 在成功建立“神经—窦房结—心房”三类器官组装体模型的基础上,研究人员结合人类胚胎心脏窦房结区域的空间转录组分析,绘制了人窦房结及其周围神经微环境的空间分子图谱,进而发现并验证了人类特异的神经信号通路——PSAP-GPR37信号轴在起搏系统发育和功能成熟中的核心作用。研究证实,邻近神经分泌的PSAP蛋白像是“钥匙”,能够精准作用于起搏细胞表面的GPR37受体,推动窦房结起搏细胞向成熟方向转化。这一发现也为人群中PSAP基因突变导致幼儿罹患Krabbe病并常伴心律异常的临床表现提供了分子机制层面的有力解释。可以说,这套体外“神经—起搏—传导”互作系统,为研究人类心脏发育、疾病机理和神经调控提供了极具价值的实验平台。

 迈向未来生物起搏的技术长梯

 传统植入式电子起搏器虽已挽救了无数患者的生命,但仍存在电极导线断裂、感染、电池更换以及无法随患者生理状态动态调节心率等固有缺陷。人造窦房结类器官的成功构建,无疑为未来开发生物起搏器提供了一条全新的技术路径。

 从短期来看,这一模型可以直接服务于心律失常的药物筛选和心脏毒性评估,减少对动物实验的依赖,提高新药研发的效率和准确性。从长远来看,随着细胞工程、类器官成熟诱导、移植递送和安全性评估等关键技术的持续推进,这类体外构建的人源化起搏组织有望在未来真正走进临床,用于修复受损或功能退化的天然起搏系统,让患者摆脱电子器械的限制,在体内拥有一个能感知身体需求、动态调节心跳的生物性节律源。

 从2026年5月这一重要里程碑回望,一颗微小的跳动类器官承载的已不止是科学实验的可重复数据,更翻开了人类对自身心跳“中央控制器”认知的新篇章。当科学家在洁净的培养皿前凝视这些规律跳动的人造起搏组织时,他们看到的不仅是显微镜下活跃的细胞群,更是未来生命科学深刻变革人类健康图景的壮阔前奏。在这条通往更加个性化、精准化心脏健康治疗的漫长征途中,迈出的每一步都可能重塑未来的格局。